JP2002514280A

JP2002514280A - Self-supporting internal heat shield liner

Info

Publication number: JP2002514280A
Application number: JP50288998A
Authority: JP
Inventors: エム．サノッキ，スティーブン; ピー．メリー，リチャード; アール．ディロン，ケネス
Original assignee: ミネソタマイニングアンドマニュファクチャリングカンパニー
Priority date: 1996-06-18
Filing date: 1996-10-15
Publication date: 2002-05-14
Also published as: US20040137175A1; EP0906496A1; EP0906496B1; CA2256769A1; DE69620260T2; WO1997048890A1; ES2170882T3; DE69620260D1; US6726884B1; AU7440296A; CA2256769C

Abstract

(57)【要約】触媒コンバータ（１８）およびディーゼルパティキュレートフィルタまたは捕集装置などの排気系または汚染防止装置と共に使用される遮熱ライナ(４０)。遮熱ライナは、触媒コンバータと共に使用されるエンドコーン（１４）に関連して説明される。エンドコーンは、外側の金属製エンドコーンと、外側の金属製エンドコーン内に位置する自立型遮熱コーン（４０）とを有する。遮熱ライナの内面のかなりの部分は内燃機関からの高温排ガスに暴露される。遮熱ライナは、無機繊維および／または粒子を含む複合体で形成されると好ましく、これにより遮熱ライナは剛性を有しながら、かつ繰り返し加わる機械的衝撃および熱衝撃に対して耐性を持つ。 (57) Abstract: A thermal barrier liner (40) for use with an exhaust system or pollution control device such as a catalytic converter (18) and a diesel particulate filter or trap. The heat shield liner is described with reference to an end cone (14) used with a catalytic converter. The end cone has an outer metal end cone and a freestanding heat shield cone (40) located within the outer metal end cone. A significant portion of the inner surface of the heat shield liner is exposed to hot exhaust gases from the internal combustion engine. The thermal barrier liner is preferably formed of a composite comprising inorganic fibers and / or particles, so that the thermal barrier liner is rigid and resistant to repeated mechanical and thermal shocks.

Description

【発明の詳細な説明】自立型内部遮熱ライナ発明の背景本発明は、触媒コンバータ、ディーゼルパティキュレートフィルタまたは捕集装置、排気管などの排気系および汚染防止装置に関する。特に、本発明は、高温下で使用される内部遮熱ライナに関する。本願は、本発明を排気管から汚染防止装置への接続部分として用いられる内部遮熱エンドコーンに関するものとして説明している。エンドコーンは金属製の吸込コーンハウジングまたは吐出コーンハウジングを備え、金属製のコーンハウジング内には主に繊維からなる自立型複合コーンが設置されている。主に繊維からなる内側のコーンは保護金属の内側コーンハウジングを必要としない。触媒コンバータおよびディーゼルパティキュレートフィルタまたは捕集装置などの汚染防止装置は周知であり、最も一般的には内燃機関で発生する排ガスを浄化するのに用いられている。この種の汚染防止装置は一般に、弾力および可撓性を有する取付けマットによってモノリシック要素がケーシング内部に固定された金属製のハウジングを有する。現在は触媒コンバータおよびディーゼルパティキュレートフィルタまたは捕集装置の２種類の装置が広く用いられている。触媒コンバータは触媒を含み、この触媒は一般にコンバータ内に取り付けられたモノリシック構造にコーティングされている。モノリシック構造は一般にセラミックであるが、メタルモノリスも使用されている。触媒は一酸化炭素および炭化水素を酸化させ、さらに自動車の排ガスに含まれる窒素の酸化物を低減して大気汚染を防止する。ディーゼルパティキュレートフィルタまたは捕集装置は、一般に多孔性結晶セラミック材料からなるハニカムモノリシック構造を有するウォールフローフィルタである。ハニカム構造のセルは一般に、１つのセルから入った排ガスが強制的に多孔性の壁を流されて別のセルを通って構造を出るように交互にふさがれている。汚染防止装置は比較的高温になるため、装置が充分に遮熱されていることは重要である。遮熱は一般に、適当な材料で構成される遮熱取付けマットでケーシング内にモノリシック要素を固定して得られる。また、排気管から汚染防止装置への接続部分となる吸込コーンおよび吐出コーンも遮熱される。吸込エンドコーンおよび吐出エンドコーンは、互いに離隔して配置された外側の金属製ハウジングと内側の金属製ハウジングとを備える二重壁エンドコーンを設けて予め遮熱される。内側のコーンハウジングと外側のコーンハウジングとの間の空隙には適当な断熱材が充填されている。二重壁エンドコーンの例は、Ｋｒｅｕｃｈｅｒｅｔａｌ．に付与された米国特許第５，４０８，８２８号などに見られる。Ｋｒｅｕｃｈｅｒｅｔａｌ．は、排気管から触媒コンバータまでを結ぶ二重壁デフューザ（ｄｅｆｕｓｅｒ）を有する触媒コンバータについて述べている。内壁と外壁との間には遮熱エアバリアが設けられている。二重壁のエンドコーンの別の例としては、ドイツ特許公開第３，７００，０７０号に見られる外側と内側のエンドコーンの間に位置する遮熱マットがある。汚染防止装置に用いられている遮熱材の特性がゆえに二重壁のエンドコーンを使う必要があった。特に、低密度繊維の遮熱材では、排気ガスに暴露されると低密度繊維の遮熱材が急速に侵食および破壊されるため、内側のコーンが必要であった。また、繊維遮熱材が侵食を起こすと、汚染防止装置のモノリシック構造が目詰まりを起こして装置の性能が低下してしまうことが多い。このため、内側に保護エンドコーンを用いて遮熱材の位置および構造を完全な状態に保つ必要があった。これは、Ｍｏｏｒｅ，ＩＩＩに付与された米国特許第５，４１９，１２７号などに示されているものなど、セラミックビーズとして使用されてきた他の遮熱材料の場合も同様である。Ｍｏｏｒｅは、内側と外側の排気マニフォルドの間に遮熱セラミックビーズの層を有する遮熱排気マニホールドについて説明している。吸込コーンおよび吐出コーンの遮熱層の位置および構造を完全な状態で保つためには必要なものであるが、保護金属製の内側のコーンを使用することにはいくつか問題がある。特に、金属製の内側のコーンを使用すると装置の重量が大幅に増し、装置の製造コストも増大する。したがって、必要とされているのは内側の保護コーンを使う必要のない遮熱エンドコーンと、高温排ガスへの暴露や走行中の衝撃によるダメージに対して耐性を有する遮熱材である。発明の開示本発明によれば、排気系および汚染防止装置に使用される自立型遮熱ライナが得られる。本願は、本発明を触媒コンバータおよびディーゼルパティキュレートフィルタまたは捕集装置などの汚染防止装置に使用される遮熱エンドコーンに関するものとして説明している。エンドコーンは排気系と汚染防止装置とを接続する外側の金属製エンドコーンを有する。外側のエンドコーンの内部には、遮熱コーンの内面のかなりの部分が内燃機関からの高温排ガスに暴露され、かつ遮熱コーンの外面が外側の金属製エンドコーンに隣接するように、遮熱コーンが設けられている。このため、自立型遮熱ライナでは遮熱材を保護する目的で内側に金属ライナを使用する必要はない。好適な実施例では、バインダと混合したガラス繊維またはセラミック繊維を利用した複合材料で遮熱ライナを形成し、剛性および耐衝撃性を有する遮熱エンドコーンを実現する。図面の簡単な説明図１は、内側および外側の金属製エンドコーンを有する従来技術の触媒コンバータの断面図である。図２は、本発明によるエンドコーンを利用した触媒コンバータの断面図である。図３は、本発明によるエンドコーンの別の実施例の断面図である。好ましい実施例の詳細な説明以下、図面を参照すると、図１は、従来技術において一般的な触媒コンバータ１０を示している。触媒コンバータ１０は、略円錐形の排ガス流入口１４と排ガス流出口１６とを含む金属製ハウジング１２を有する。カンまたはケーシングとも呼ばれるハウジングは、当業者間で周知の適当な材料から製造することができ、一般に金属製である。好ましくは、ハウジングはステンレス鋼で製造されている。ハウジング１２の内部に配置されているのは、セラミックまたは金属のいずれかで形成されるハニカムモノリス本体からなるモノリス触媒要素１８である。モノリス１８の周りを囲んでいるのは、取付けおよび遮熱マット２２である。排ガス流入口１４および排ガス流出口１６について述べる。排ガス流入口１４および排ガス流出口１６は、外側のエンドコーンハウジング２６と内側のエンドコーンハウジング２８とを有するものであることがわかる。外側のコーンハウジング２８と内側のコーンハウジング２６との間には遮熱材３０が位置している。上述したように、内側のコーンハウジング２８は、遮熱材３０を所定位置に保持し、遮熱材３０が汚染防止装置を通過する高温排ガスによるダメージを受けるのを防ぐ目的で、従来技術の汚染防止装置において使用されている。しかしながら、内側のコーンハウジング２８を使用すると、汚染防止装置の重量および複雑さが増し、コストも増大する。したがって、内側のコーンハウジング２８を不要にすることが求められていた。本発明によれば、自立型内部遮熱ライナ、特に内側のコーンハウジング２８を必要としない遮熱エンドコーンが得られる。特に、本発明では耐火材を利用して、機械的衝撃および熱衝撃によるダメージに対する耐性とともに、排ガスによるダメージに対しても耐性を有する内側の遮熱コーンを提供する。この有用な耐火材は、短時間で温度勾配が大きく変動しても粉砕することなく耐え得る。装置の始動後、走行速度に達するまでの短時間のうちに温度勾配が零下から３００℃を超える点にまで変化する場合がある。本発明では、排ガスによる侵食に対して充分な剛性を有し、かつ機械的衝撃および熱衝撃に対しても耐性も有する複合材料を使用する。複合材料には、無機繊維および／または無機粒子が含まれる。複合材料は１種以上のバインダを任意に含んでもよい。本発明の実施に有用な繊維としては、アルミナ−ボリア−シリカ、アルミナ− シリカ、アルミナ−五酸化燐、ジルコニア−シリカ、ジルコニア−アルミナおよびアルミナで作製された繊維が挙げられる。これらの繊維は、ブロー成形またはスピニングなどの業界周知の方法で形成することができる。有用な方法はゾルゲル溶液のスピニングである。有用な繊維は、ＩＣＩＣｈｅｍｌｃａｌｓ＆Ｐｏｌｙｍｅｒｓから商品名ＳＡＦＦＩＬとして、またＵｎｉｆｒａｘＣｏ．からＦＩＢＥＲＭＡＸ、ＤｅｎｋａからＡＬＣＥＮ、三菱からＭＡＦＴＥＣＨとして市販されている。繊維は繊維のままでも使用できるが、繊維マットとして使用してもよい。繊維のマットは、不織布業界で行われているように繊維状の材料をコレクションスクリーン上でブロー成形して形成される。市販の有用な繊維マットは、ＩＣＩＣｈｅｍｉｃａｌｓ＆Ｐｏ１ｙｍｅｒｓのＳＡＦＦＩＬＬＤアルミナ繊維マットである。クレイ、セラミック粉末またはガラス粉末、セラミックビーズまたはガラスビーズ、および中空セラミックまたはガラスの微小球などの無機微粒子材料でコーンを形成することもできる。さらに、繊維と微粒子とを組み合わせた材料も使用可能である。繊維および粒子はバインダとして作用することがある。繊維および／または粒子を、例えば５００℃を上回る高温まで加熱すると、コーンの他の繊維および粒子と接着するのに充分な程度に溶融または軟化する。繊維および粒子を焼結することもできる。融点の異なる繊維または粒子を選択することで、様々な形態で互いに接着させ得る。例えば、ガラス繊維はセラミック繊維の融点よりも低い温度で軟化して溶融するため、ガラス繊維とセラミック繊維とを組み合わせて接着することができる。さらに、繊維を実質的に溶融させずにセラミック繊維を他のセラミック繊維に焼結させることもできる。高温状態での加工を容易にするため、またはより強度を与えるために他のバインダを添加すると有用な場合がある。有機バインダを使用して、無機バインダを室温で互いに結合してコーンを形成することができる。コーンを約３００℃より高い温度に加熱すると有機バインダが焼失してコーンが残る。このコーンをさらに高温で燃焼して無機材料を焼結させることができる。有機バインダは成形および射出成形工程に特に有用である。有用な有機バインダとしては低融点ワックスおよびポリエチレングリコールが挙げられる。無機バインダも同様に使用できる。これらのバインダとしては、アルミナゾルなどのゾルやゾルゲル材料、コロイドシリカ懸濁液、シリコンカーバイド懸濁液などの耐火性コーティング、モノアルミニウムホスフェート溶液などの溶液が挙げられる。コロイドシリカ懸濁液は、ＮａｌｃｏＣｏ．からＮＡＬＣＯの商品名で市販されている。コーンを形成するための組成物にバインダを添加する、形成後のコーンにゾルまたは懸濁液を浸透させる、もしくは耐火性コーティングまたは溶液をコーン表面にブラシ塗布することによって、無機バインダをコーンに取り込むことができる。無機バインダがコーンの硬化を促進する。バインダ溶液またはコーティングをコーンの一方の表面、例えば内面だけに塗布すると、内面はさらに堅くなるが、一方、外面については圧縮可能な状態に維持することができる。使用時、表面のバインダが高温排ガスによるコーンの侵食を防止する。分散助剤、湿潤剤、増粘剤などの他のアジュバントを添加して加工性を高めてもよい。実施例において後述するように、可撓性型枠を用いる他、スラッシュ成形、プレス成形または射出成形などの様々な方法で自立型繊維エンドコーンを形成することができる。繊維のマットも、繊維マットのストリップをバインダ溶液中で飽和させて円錐状の表面に重ねる、張子に似た方法で形成可能である。以下で詳しく説明するが、これらの自立型繊維エンドコーンの形成方法ではいずれも、高温排ガスへの暴露、熱衝撃および走行時の衝撃によるダメージに対して耐性を有するコーンが得られる。エンドコーンは一般に、外側の金属製エンドコーン内に固定されている。金属製エンドコーンは、ステンレス鋼およびＩｎｃｏｎｅＩなどの高温耐性金属で作製される。エンドコーンは汚染防止装置の外側の金属製エンドコーン２６内部に様々な方法で固定可能である。例えば、図２に示されるように、繊維エンドコーン４０をモノリス１８取付けマット２２とに押し付けて、繊維エンドコーン４０の動きを制限する。このような摩擦係合の代わりに、または摩擦係合に加えて、図３に示すようにタブ４２を用いて繊維コーン４０を外側のエンドコーン２６の内部で抑制することができる。タブ４２は排気管４４から延在した状態で示されているが、例えば外側のコーン２６またはケーシング１２から延在させることもできる。図３に示されるような個々のタブ４２の代わりに、固い止め輪（図示せず）も使用可能である。もちろん、利用者が望む各用途に応じて、外側のエンドコーン２６内で繊維エンドコーン４０を他の様々な方法で抑制することもできる。以下の実施例において本発明の目的および利点をさらに説明するが、特定の材料およびその量は、本発明を不当に限定するものであると解釈されるべきではない。部やパーセントは、特に明記しない限りすべて重量比である。実施例は、触媒コンバータと共に用いられる遮熱エンドコーンに関するものであるが、本発明は、ディーゼルパティキュレートフィルタまたは捕集装置、排気マニホールドおよび排気管などの排気系の他の分野にも等しく適用可能である。同様に、本発明の有用性も実施例での円錐形に限定されるものではなく、内側に遮熱ライナが必要であって、かつ保護内面を別途設けることが望ましくない、高温下でのあらゆる用途において有用である。試験手順高温振動試験高温振動試験は、触媒コンバータと共に使用されるエンドコーンを評価するために行われ、エンドコーンを含む触媒コンバータを振動させて、かつガソリンエンジン（モード１）または高温空気（モード２）からの高温ガスに暴露する。この２種類の試験モードについては以下で詳しく述べる。モード１内部にエンドコーンが固定された触媒コンバータを加振台（コネチカット州ＷａｌｌｉｎｇｆｏｒｄのＵｎｈｏｌｔｚ−ＤｉｃｋｉｅＣｏｒｐ．の電気力学的シェーカー、型番ＴＣ２０８）の上にしっかりと固定する。次に、Ｅａｔｏｎ８１２１渦流式動力計に連結されたＦｏｒｄＭｏｔｏｒＣｏ．の、排気量７．５リットルのＶ型８気筒ガソリンエンジンの内燃機関の排気系に、可撓性カップリングを介して上記の触媒コンバータを取り付ける。加振台上のコンバータを１００Ｈｚおよび３０ｇの加速度で振動させながら、エンジン速度２２００ｒｐｍ、エンジン負荷３０．４ｋｇ−ｍｅｔｅｒの状態で、流入口排ガス温度９００℃としてコンバータを試験する。この条件下でコンバータを２５時間試験する。その後、コンバータを分解して、エンドコーンに破壊、侵食または亀裂の兆候がないかどうかを調べる。エンドコーンに何ら変化が認められず、可視的なダメージがなければ試験は成功である。モード２この試験モードはモード１の試験と同様の方法で行う。加速度３０ｇ、振動数１００Ｈｚでコンバータを振動させる加振台（Ｕｎｈｏｌｔｚ−Ｄｉｃｋｉｅから入手可能）に触媒コンバータとエンドコーンとを取り付ける。熱源は、流入口ガス温度９００℃の天然ガスバーナーである。コンバータの加熱・冷却（震盪時）を３サイクル行う。ここで１サイクルは、ガス流入口温度を９００ ℃にする加熱段階、流入口ガス温度を８時間９００℃に保つ保持段階、さらに周囲温度（約２１℃）まで冷却する段階を含む。モード１と同様に、エンドコーンには可視的なダメージの兆候があってはならない。実施例１実施例１では、可撓性型枠と有機バインダ含有繊維混合物とを用いて、どのようにセラミック繊維のエンドコーンを作製したかについて説明する。（これと同一の複合混合物を射出成形することも可能である。）室温硬化ゴム（ＤｏｗＣｏｒｎｉｎｇＣｏ．から入手可能なＳＩＬＡＳＴＩＣＫＲＴＶシリコンラバーベース）１０部と、硬化剤（ＤｏｗＣｏｒｎｉｎｇＣｏ．から入手可能なＳＩＬＡＳＴＩＣＫＲＴＶ硬化剤）１部とを混合して、ゴム製型枠を用意した。繊維コーンの所望の最終寸法を有するスチールコーンの種型の周りで上記のゴム混合物を成形した。室温（約２１℃）で２４時間かけて型を硬化させた。ガラス繊維（Ｏｗｅｎｓ−ＣｏｒｎｉｎｇＦｉｂｅｒｇｌａｓｓから入手可能な、長さ６．３５ｍｍのＳ−２ガラス繊維）を加熱清浄して、繊維の長さが約０．５ｍｍになるように粉砕した。セラミック繊維（ＩＣＩＣｈｅｍｉｃａｌｓ＆ＰｏｌｙｍｅｒｓＬｔｄ．から入手可能なＳＡＦＦＩＬセラミック繊維）を約０．２５ｍｍの長さになるようにミルで粉砕した。この粉砕したガラス繊維およびセラミック繊維を３７．８ｇずつ混合して繊維混合物を調製した。次に、バインダ（ＡｌｄｒｉｃｈＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｃ．から入手可能な分子量１０００のポリエチレングリコール）１５０ｇと、分散助剤（ＩＣＩＡｍｅｒｉｃａｓから入手可能なＫＤ−５分散剤）０．７５ｇとを仕込んだプラネタリミキサ（ＣｈａｒｌｅｓＲｏｓｓ＆ＳｏｎＣｏ．の型番ＬＤＭ、容量１ガロンのＲｏｓｓミキサ）に上記の繊維混合物を注いだ。この混合物をミキサ内で１００℃まで加熱してバインダを溶融した後、２５ｍｍＨｚの真空下で約３０分混合した。得られた繊維とバインダとの混合物を、あらかじめ４０℃に加熱しておいたゴム型に流し込んだ。充填された型を加振台（ＦＭＣＣｏｒｐ．から入手可能なＳＹＴＲＯＮ加振台）に装着した真空チャンバ内に載置した。この真空チャンバを３０ｍｍＨｇまで脱気し、加振台を５分間振動させて混合物を脱気し、混合物の型への流入を促進した。次に型を真空チャンバから取り出して室温まで冷却した。硬化した繊維コーンを離型し、中空アルミナビーズ（ＭｉｃｒｏｃｅｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．から入手可能な直径１．５ｍｍのビーズ）の床に充填して２５０℃で約３時間加熱した。ビーズは、相当量のバインダが焼失する際にコーンがスランプしたり変形したりするのを防止する目的で用いられる。次にコーンを床から取り外し、１１００℃の炉にて４時間加熱してコーン中の繊維を結合させた。コーンを室温まで冷却し、触媒コンバータ用の金属製コーンハウジングに挿入して、上記の高温振動試験モード２の試験に供した。試験後、コーンには何ら変化は認められず、亀裂やその他侵食や破壊の可視的な兆候はなかった。実施例２〜４実施例２〜４では、水とセラミック繊維とのスラリーを用いてどのようにセラミックエンドコーンを作製したかについて説明する。実施例２〜４ではそれぞれ、ミシン目の入ったシートメタルのシートを触媒コンバータのエンドコーンの形に切断して円錐型の型を用意した。次に、この型をワイヤスクリーン（２５メッシュ）で覆った。エンドコーンの径の大きい側の端をフィラメントテープで閉じて密封し、型の径の小さい側の端を掃除機（Ｓｅａｒｓから入手可能なＳｈｏｐｖａｃ）の直径３．８ｍｍの吸い込みホースに装着した。実施例２では、水道水１４リットルとセラミック繊維（ニューヨーク州、ナイアガラフォールズのＵｎｉｆｒａｘＣｏ．社から入手可能な７０００Ｍセラミック繊維）２００ｇとをエアミキサで約１０分混合してスラリーを調製した。さらに混合を続けて、コロイドシリカ懸濁液（ＮａｌｃｏＣｈｅｍｉｃａｌＣｏ．から入手可能なＮＡＬＣＯ２３２７）２リットルを添加して分散させた。続いて型をスラリー中に入れ、真空を約５秒間印可した。真空解放後すみやかに型を取り出し、コーンに厚さ６．３ｍｍの繊維層を形成した。繊維コーンを離型し、１００℃で約２時間乾燥させた。実施例３および４の繊維コーンは、コーティングを各コーンの内面にブラシ塗布したこと以外は実施例２の繊維コーンと同様にして作製したものである。実施例３および４のコーティングによって、コーン内面は一層堅くなり、一方コーン外面は圧縮可能な状態のまま残った。実施例３および４で使用したコーティングに加えて、シリコンカーバイド懸濁液(ＺＹＰＣｏａｔｉｎｇｓ，Ｉｎｃ．から入手可能)などの他のコーティングを使用することも考えられる。各実施例で使用したコーティングは以下の通りである。実施例３コロイドシリカ懸濁液（Ｎａｌｃｏ２３２７）実施例４モノアルミニウムホスフェート（５０％溶液、Ｒｈｏｎｅ−ＰｏｕｌｅｎｃＢａｓｌｃＣｈｅｍｉｃａｌＣｏ．から入手可能なＴｅｃｈｎ１ｃａｌＧｒａｄｅ）実施例２、３、および４のコーンを上記の高温振動試験モード２で試験したが、亀裂、破壊、侵食は認められなかった。実施例５実施例５では、セラミック繊維マットを用いて、どのようにしてセラミックエンドコーンを作製したかについて説明する。セラミック繊維マット（ＩＣＩＣｈｅｍｉｃａｌｓａｎｄＰｏｌｙｍｅｒｓから入手可能なＳＡＦＦＩＬＴｙｐｅＬＤＭａｔ）を約５．１ｃｍ×１０．２ｃｍのストリップに切断した。このストリップをコロイドシリカ懸濁液（ＮＡＬＣＯ２３２７）に浸して触媒コンバータの外側の金属製コーン部分の内面に載せた。（外側のエンドコーンが成形型の役目をする。）ストリップを重ねて並べ、厚さ約６．３５ｍｍのコーンを形成した。触媒コンバータの内側のコーン（ストリップに対して内側の型の役目をする）を層の上に押し付けて、マット材の層を外側と内側の金属製エンドコーンの間に挟み込んだ。このアセンブリをエアオーブン中にて１００℃で約５時間乾燥させた。内側の金属製コーンを取り外した後、層状のマットを有する外側の金属製コーンを９００℃で約１時間加熱して剛性のある繊維コーンを形成した。続いて繊維コーンを取り出し、高温振動試験モード１に供した。コーンには亀裂、破壊または侵食は認められなかった。実施例１〜５の試験結果から、自立型繊維複合体エンドコーンは、排ガス流および振動震盪に耐え得ることが分かる。本願明細書に記載の実施例に加えて、自立型繊維エンドコーンを射出成形などの別の方法で形成することも考えられる。以上、好ましい実施例を参照して本発明を説明したが、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく形態および詳細部分を変更し得ることは当業者であれば明らかであろう。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an exhaust system such as a catalytic converter, a diesel particulate filter or collecting device, an exhaust pipe, and a pollution control device. In particular, the present invention relates to internal heat shield liners used at high temperatures. The present application describes the present invention as an internal heat shield end cone used as a connection from an exhaust pipe to a pollution control device. The end cone includes a metal suction cone housing or a discharge cone housing. In the metal cone housing, a self-supporting composite cone mainly composed of fibers is installed. The inner cone, consisting primarily of fibers, does not require a protective metal inner cone housing. Pollution control devices such as catalytic converters and diesel particulate filters or traps are well known and are most commonly used to purify exhaust gases generated by internal combustion engines. Such a pollution control device generally comprises a metal housing in which the monolithic element is fixed inside the casing by means of a resilient and flexible mounting mat. Currently, two types of devices are widely used: catalytic converters and diesel particulate filters or traps. Catalytic converters include a catalyst, which is generally coated in a monolithic structure mounted within the converter. Monolithic structures are generally ceramic, but metal monoliths have also been used. The catalyst oxidizes carbon monoxide and hydrocarbons, and further reduces nitrogen oxides contained in automobile exhaust gas to prevent air pollution. Diesel particulate filters or traps are wall flow filters that generally have a honeycomb monolithic structure made of a porous crystalline ceramic material. The cells of the honeycomb structure are generally alternately plugged such that the exhaust gas entering from one cell is forced through the porous walls and exits the structure through another cell. Since the pollution control device is relatively hot, it is important that the device be well insulated. Heat insulation is generally obtained by securing the monolithic element within the casing with a heat insulation mounting mat composed of a suitable material. In addition, the suction cone and the discharge cone that are connected to the pollution control device from the exhaust pipe are also shielded from heat. The suction and discharge end cones are pre-insulated by providing a double-walled end cone with an outer metal housing and an inner metal housing spaced apart from each other. The gap between the inner cone housing and the outer cone housing is filled with a suitable insulating material. Examples of double-walled end cones are described in Kreucher et al. See, for example, U.S. Pat. No. 5,408,828 to U.S. Pat. Kre ucher et al. Describes a catalytic converter having a double wall diffuser connecting the exhaust pipe to the catalytic converter. A heat shield air barrier is provided between the inner wall and the outer wall. Another example of a double-walled end cone is the thermal barrier mat located between the outer and inner end cones found in DE-A-3,700,070. Due to the properties of the heat shield used in the pollution control device, it was necessary to use a double-walled end cone. In particular, low density fiber heat shields required an inner cone because the low density fiber heat shield rapidly eroded and destroyed when exposed to exhaust gases. Also, when the fiber heat shield erodes, the monolithic structure of the pollution control device is often clogged and the performance of the device is often reduced. For this reason, it was necessary to keep the position and structure of the heat shield material in a perfect state by using a protective end cone inside. This is the case with other thermal barrier materials that have been used as ceramic beads, such as those shown in U.S. Patent No. 5,419,127 to Moore, III. Moore describes a thermal barrier exhaust manifold having a layer of thermal barrier ceramic beads between the inner and outer exhaust manifolds. Although necessary to maintain the integrity and structure of the heat shield layers of the suction and discharge cones, the use of a protective metal inner cone has several problems. In particular, the use of a metal inner cone significantly increases the weight of the device and the manufacturing costs of the device. Therefore, what is needed is a heat shield end cone that does not require the use of an inner protective cone, and a heat shield that is resistant to damage from exposure to hot exhaust gases and impact during traveling. DISCLOSURE OF THE INVENTION According to the present invention, a self-supporting thermal barrier liner used for an exhaust system and a pollution control device is obtained. The present application describes the present invention as a heat shield end cone used in a pollution control device such as a catalytic converter and a diesel particulate filter or trap. The end cone has an outer metallic end cone connecting the exhaust system and the pollution control device. Inside the outer end cone, the heat shield is such that a significant portion of the inner surface of the heat shield cone is exposed to the hot exhaust gases from the internal combustion engine and the outer surface of the heat shield cone is adjacent to the outer metal end cone. A cone is provided. For this reason, it is not necessary to use a metal liner inside for the purpose of protecting the heat shield in the self-standing type heat shield liner. In a preferred embodiment, the thermal barrier liner is formed of a composite material utilizing glass or ceramic fibers mixed with a binder to provide a rigid and impact resistant thermal barrier end cone. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a cross-sectional view of a prior art catalytic converter having inner and outer metallic end cones. FIG. 2 is a sectional view of a catalytic converter using an end cone according to the present invention. FIG. 3 is a sectional view of another embodiment of the end cone according to the present invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Referring now to the drawings, FIG. 1 shows a catalytic converter 10 common in the prior art. The catalytic converter 10 has a metal housing 12 including a generally conical exhaust gas inlet 14 and an exhaust gas outlet 16. The housing, also called the can or casing, can be made from any suitable material known to those skilled in the art and is generally made of metal. Preferably, the housing is made of stainless steel. Disposed within housing 12 is a monolith catalyst element 18 comprising a honeycomb monolith body formed of either ceramic or metal. Surrounding the monolith 18 is a mounting and insulation mat 22. The exhaust gas inlet 14 and the exhaust gas outlet 16 will be described. It can be seen that the exhaust gas inlet 14 and the exhaust gas outlet 16 have an outer end cone housing 26 and an inner end cone housing 28. A heat shield 30 is located between the outer cone housing 28 and the inner cone housing 26. As described above, the inner cone housing 28 holds the heat shield 30 in place and prevents the heat shield 30 from being damaged by the high temperature exhaust gases passing through the pollution control device. Used in protection devices. However, the use of the inner cone housing 28 increases the weight and complexity of the pollution control device and adds cost. Therefore, it has been required to eliminate the need for the inner cone housing 28. In accordance with the present invention, a self-contained internal heat shield liner is provided, particularly a heat shield end cone that does not require an inner cone housing. In particular, the present invention provides an inner heat shield cone utilizing a refractory material, which has resistance to damage due to mechanical shock and thermal shock and also resistance to damage due to exhaust gas. This useful refractory can withstand large fluctuations in temperature gradients in a short time without crushing. There is a case where the temperature gradient changes from a temperature below zero to a point exceeding 300 ° C. in a short time after the start of the apparatus until the traveling speed is reached. In the present invention, a composite material having sufficient rigidity against erosion by exhaust gas and resistance to mechanical shock and thermal shock is used. The composite material contains inorganic fibers and / or inorganic particles. The composite may optionally include one or more binders. Fibers useful in the practice of the present invention include fibers made of alumina-boria-silica, alumina-silica, alumina-phosphorus pentoxide, zirconia-silica, zirconia-alumina, and alumina. These fibers can be formed by methods well known in the art, such as blow molding or spinning. A useful method is spinning a sol-gel solution. Useful fibers are available from ICI Chemcals & Polymers under the trade name SAFFIL, and from Unifrax Co. FIBERMAX from Denka, ALCEN from Denka, and MAFTECH from Mitsubishi. Although the fibers can be used as they are, they may be used as a fiber mat. Fiber mats are formed by blow molding a fibrous material on a collection screen, as is done in the nonwoven industry. A useful commercially available fiber mat is ICI Chemicals & Polymers SAFFIL LD alumina fiber mat. Cone can also be formed from inorganic particulate materials such as clay, ceramic or glass powder, ceramic or glass beads, and hollow ceramic or glass microspheres. Further, a material in which fibers and fine particles are combined can be used. Fibers and particles may act as a binder. When the fibers and / or particles are heated to an elevated temperature, for example, above 500 ° C., they melt or soften sufficiently to adhere to the other fibers and particles of the cone. Fibers and particles can also be sintered. By selecting fibers or particles with different melting points, they can be glued together in various forms. For example, glass fibers are softened and melted at a temperature lower than the melting point of ceramic fibers, so that glass fibers and ceramic fibers can be combined and bonded. Further, ceramic fibers can be sintered to other ceramic fibers without substantially melting the fibers. It may be useful to add other binders to facilitate processing at high temperatures or to provide more strength. Using an organic binder, the inorganic binder can be bonded together at room temperature to form a cone. Heating the corn to a temperature above about 300 ° C. will burn off the organic binder and leave the corn. The cone can be burned at a higher temperature to sinter the inorganic material. Organic binders are particularly useful in molding and injection molding processes. Useful organic binders include low melting waxes and polyethylene glycols. Inorganic binders can be used as well. These binders include sols and sol-gel materials such as alumina sol, refractory coatings such as colloidal silica suspensions, silicon carbide suspensions, and solutions such as monoaluminum phosphate solutions. Colloidal silica suspensions are available from Nalco Co. Is commercially available under the trade name NALCO. The inorganic binder is incorporated into the cone by adding a binder to the composition to form the cone, infiltrating the formed corn with a sol or suspension, or brushing a refractory coating or solution over the cone surface. be able to. An inorganic binder accelerates the hardening of the cone. If the binder solution or coating is applied to only one surface of the cone, for example the inner surface only, the inner surface will be harder, while the outer surface can be kept compressible. In use, the surface binder prevents erosion of the cone by hot exhaust gases. Other adjuvants such as dispersing aids, wetting agents and thickeners may be added to enhance processability. As will be described later in the examples, a free-standing fiber end cone can be formed by various methods such as slush molding, press molding or injection molding, in addition to using a flexible mold. Fiber mats can also be formed in a mache-like manner by saturating a strip of fiber mat in a binder solution and superimposing it on a conical surface. As will be described in detail below, any of these methods for forming a self-supporting fiber end cone can provide a cone that is resistant to damage due to exposure to high-temperature exhaust gas, thermal shock, and impact during traveling. The end cone is generally fixed within an outer metallic end cone. Metal end cones are made of high temperature resistant metals such as stainless steel and Incone I. The end cone can be secured in various ways within the metal end cone 26 outside the pollution control device. For example, as shown in FIG. 2, the fiber end cone 40 is pressed against the monolith 18 mounting mat 22 to limit the movement of the fiber end cone 40. Instead of or in addition to such frictional engagement, the fiber cone 40 can be constrained within the outer end cone 26 using a tab 42 as shown in FIG. The tab 42 is shown extending from the exhaust pipe 44, but may extend from the outer cone 26 or the casing 12, for example. Instead of individual tabs 42 as shown in FIG. 3, a rigid retaining ring (not shown) can be used. Of course, the fiber end cone 40 may be constrained in the outer end cone 26 in various other ways, depending on the application desired by the user. The following examples further illustrate the objects and advantages of the present invention, but the specific materials and amounts thereof are not to be construed as unduly limiting the invention. All parts and percentages are by weight unless otherwise indicated. Although the embodiments relate to a thermal barrier end cone used with a catalytic converter, the invention is equally applicable to other fields of exhaust systems such as diesel particulate filters or traps, exhaust manifolds and exhaust pipes. It is. Similarly, the usefulness of the present invention is not limited to the conical shape in the embodiment, and any heat-resistant liner at the inside where a heat shield liner is required and a separate protective inner surface is not desirable is desired. Useful in applications. Test Procedure High Temperature Vibration Test The high temperature vibration test is performed to evaluate the end cone used with the catalytic converter, vibrating the catalytic converter including the end cone and using a gasoline engine (mode 1) or hot air (mode 2). Exposure to hot gases from These two test modes will be described in detail below. Mode 1 A catalytic converter with an end cone fixed inside is securely mounted on a shaker platform (electrodynamic shaker, Model No. TC208, Unholtz-Dickie Corp., Wallingford, CT). Next, a Ford Motor Co. connected to an Eaton 8121 vortex dynamometer. The above-mentioned catalytic converter is attached via a flexible coupling to an exhaust system of an internal combustion engine of a 7.5-liter V-type 8-cylinder gasoline engine. The converter is tested at an inlet exhaust gas temperature of 900 ° C. at an engine speed of 2200 rpm and an engine load of 30.4 kg-meter while oscillating the converter on the shaking table at 100 Hz and an acceleration of 30 g. The converter is tested under these conditions for 25 hours. The converter is then disassembled and the end cone is inspected for signs of breakage, erosion or cracking. The test is successful if there is no change in the end cone and there is no visible damage. Mode 2 This test mode is performed in the same manner as the test in mode 1. Attach the catalytic converter and end cone to a shaker table (available from Unholtz-Dickie) that oscillates the converter at an acceleration of 30 g and a frequency of 100 Hz. The heat source is a natural gas burner with an inlet gas temperature of 900 ° C. Heating / cooling (at the time of shaking) of the converter is performed for 3 cycles. Here, one cycle includes a heating step of setting the gas inlet temperature to 900 ° C., a holding step of maintaining the inlet gas temperature at 900 ° C. for 8 hours, and a cooling step to ambient temperature (about 21 ° C.). As in Mode 1, the end cone must have no visible signs of damage. Example 1 Example 1 describes how an end cone of ceramic fiber was manufactured using a flexible mold and a fiber mixture containing an organic binder. (It is also possible to injection mold the same composite mixture.) 10 parts of room temperature cured rubber (SILAST IC K RTV silicone rubber base available from Dow Corning Co.) and a curing agent (Dow Corning Co.). 1 part of SILASTIC K RTV curing agent available from Co., Ltd.) to prepare a rubber mold. The above rubber mixture was molded around a steel cone seed mold having the desired final dimensions of the fiber cone. The mold was cured at room temperature (about 21 ° C.) for 24 hours. Glass fiber (S-2 glass fiber 6.35 mm long, available from Owens-Corning Fiberglass) was heat cleaned and ground to about 0.5 mm in fiber length. Ceramic fibers (SAFFIL ceramic fibers available from ICI Chemicals & Polymers Ltd.) were milled to a length of about 0.25 mm. 37.8 g of the crushed glass fiber and ceramic fiber were mixed to prepare a fiber mixture. Next, a planetary mixer (Charles) charged with 150 g of a binder (polyethylene glycol having a molecular weight of 1,000 available from Aldrich Chemical Inc.) and 0.75 g of a dispersing aid (KD-5 dispersant available from ICI Americas). The fiber mixture was poured into a Ross & Son Co. model LDM, 1 gallon Ross mixer. This mixture was heated to 100 ° C. in a mixer to melt the binder, and then mixed under a vacuum of 25 mmHz for about 30 minutes. The mixture of the obtained fiber and the binder was poured into a rubber mold that had been heated to 40 ° C. in advance. The filled mold was placed in a vacuum chamber attached to a shake table (SYTRON shake table available from FMC Corp.). The vacuum chamber was evacuated to 30 mmHg, and the shaker was shaken for 5 minutes to degas the mixture, facilitating the flow of the mixture into the mold. The mold was then removed from the vacuum chamber and cooled to room temperature. The cured fiber cone was demolded, filled into a bed of hollow alumina beads (1.5 mm diameter beads available from Microcel Technologies, Inc.) and heated at 250 ° C. for about 3 hours. Beads are used to prevent the cone from slumping or deforming when a significant amount of binder is burned off. The cone was then removed from the floor and heated in a 1100 ° C. oven for 4 hours to bind the fibers in the cone. The cone was cooled to room temperature, inserted into a metal cone housing for a catalytic converter, and subjected to the test of the high-temperature vibration test mode 2 described above. After the test, no change was observed in the corn and there were no cracks or other visible signs of erosion or failure. Examples 2 to 4 In Examples 2 to 4, how a ceramic end cone was manufactured using a slurry of water and ceramic fibers will be described. In each of Examples 2 to 4, a perforated sheet metal sheet was cut into the shape of an end cone of a catalytic converter to prepare a conical mold. Next, the mold was covered with a wire screen (25 mesh). The larger diameter end of the end cone was closed and sealed with filament tape, and the smaller diameter end of the mold was attached to a 3.8 mm diameter suction hose of a vacuum cleaner (Shop vac available from Sears). In Example 2, a slurry was prepared by mixing 14 liters of tap water and 200 g of ceramic fibers (7000M ceramic fibers available from Unifrax Co., Niagara Falls, NY) with an air mixer for about 10 minutes. Mixing was continued and 2 liters of colloidal silica suspension (NALCO 2327 available from Nalco Chemical Co.) was added and dispersed. The mold was then placed in the slurry and vacuum was applied for about 5 seconds. Immediately after releasing the vacuum, the mold was taken out and a 6.3 mm thick fiber layer was formed on the cone. The fiber cone was released and dried at 100 ° C. for about 2 hours. The fiber cones of Examples 3 and 4 were made in the same manner as the fiber cones of Example 2 except that the coating was brushed on the inner surface of each cone. With the coatings of Examples 3 and 4, the inner cone surface became stiffer, while the outer cone surface remained compressible. In addition to the coatings used in Examples 3 and 4, it is contemplated that other coatings such as silicon carbide suspension (available from ZYP Coatings, Inc.) may be used. The coating used in each example is as follows. Example 3 Colloidal Silica Suspension (Nalco 2327) Example 4 Monoaluminum phosphate (50% solution, Techn1 cal Grade available from Rhone-Pou len Baslc Chemical Co.) The cones of Examples 2, 3 and 4 were The test was conducted in the high-temperature vibration test mode 2 described above, but no crack, fracture, or erosion was observed. Example 5 Example 5 describes how a ceramic end cone was manufactured using a ceramic fiber mat. Ceramic fiber mats (SAFFIL Type LD Mat available from ICI Chemicals and Polymers) were cut into strips approximately 5.1 cm x 10.2 cm. The strip was dipped into a colloidal silica suspension (NALC O 2327) and placed on the inside of the metal cone outside the catalytic converter. (The outer end cone acts as a mold.) The strips were stacked and lined to form a cone about 6.35 mm thick. The inner cone of the catalytic converter (serving as the inner mold for the strip) was pressed onto the layer, sandwiching the layer of matting material between the outer and inner metal end cones. The assembly was dried in an air oven at 100 ° C. for about 5 hours. After removing the inner metal cone, the outer metal cone with the layered mat was heated at 900 ° C. for about 1 hour to form a rigid fiber cone. Subsequently, the fiber cone was taken out and subjected to a high-temperature vibration test mode 1. There were no cracks, breaks or erosion of the cone. The test results of Examples 1 to 5 show that the self-supporting fiber composite end cone can withstand exhaust gas flow and vibration shaking. In addition to the embodiments described herein, it is contemplated that the free standing fiber end cones may be formed in other ways, such as by injection molding. While the present invention has been described with reference to preferred embodiments, workers skilled in the art will recognize that changes may be made in form and detail without departing from the spirit and scope of the invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者ディロン，ケネスアール. アメリカ合衆国，ミネソタ 55133―3427, セントポール，ポストオフィスボックス 33427────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, L U, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ, CF) , CG, CI, CM, GA, GN, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (KE, LS, MW, SD, S Z, UG), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD , RU, TJ, TM), AL, AM, AT, AU, AZ , BA, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CU, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, GB, G E, HU, IL, IS, JP, KE, KG, KP, KR , KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, P L, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK , TJ, TM, TR, TT, UA, UG, UZ, VN (72) Inventors Dillon, Kenneth R. United States, Minnesota 55133-3427, St. Paul, Post Office Bo Box 33427

Claims

[Claims] 1. A pollution control device for purifying exhaust gas from an internal combustion engine, A metal housing, A pollution control element disposed within the housing; A metal end cone connecting the housing and an exhaust pipe of the internal combustion engine, Having an inner surface and an outer surface, a substantial portion of the inner surface is provided with hot exhaust from the internal combustion engine. A heat shield cone positioned within the metal end cone to be exposed to gas When, A pollution control device comprising: 2. The pollution control device according to claim 1, wherein the heat shielding cone includes a fibrous binder. 3. The pollution control device according to claim 2, wherein the fibrous binder is a ceramic fiber. Place. 4. The pollution control device according to claim 1, wherein the heat shield cone is made of an inorganic fiber material. 5. A pollution control device for purifying exhaust gas from an internal combustion engine, A metal housing, A pollution control element disposed within the housing; An outer metallic air connecting the housing and the exhaust system of the internal combustion engine. Corn and A shield located within the outer end cone and exposed to the exhaust gases of the internal combustion engine. A layer of heat material, A pollution control device comprising: 6. Free-standing fiber end coat placed inside the metal end cone of the pollution control device A method of forming the A mold having the dimensions of the inner surface of the metal end cone outside the pollution control device; Providing steps; Saturating a strip of ceramic fiber mat with a suspension of colloidal silica And Placing a strip of saturated ceramic fibers on the inner surface of the mold When, Press the saturated ceramic fiber strip against the mold and heat shield Obtaining the desired outer and inner diameters of the Curing the composite of the ceramic fiber and the colloidal silica suspension When, Releasing the fibrous heat-insulating end cone. Method of forming cones. 7. 7. The method according to claim 6, wherein the ceramic fiber strips are stacked and placed in the mold. The described method. 8. A method of forming self-supporting internal thermal barrier end cones used with pollution control devices So, Providing a rubber mold having the desired final dimensions of the fibrous thermal insulation cone; Heating the rubber mold; A mixture of glass fibers and ceramic fibers with inorganic and organic binders, Pouring into the pre-heated rubber mold; Cooling the mold to cure the mixture of fibers and binder; Demolding the cured fibrous cone; Heating the cured fibrous cone to remove the organic binder When, Burning the heated cone to sinter the fibers and binder. A method for forming a self-supporting internal heat shield end cone, including: